摘 要： 通過分析用戶使用需求，結(jié)合智能手機(jī)的行業(yè)應(yīng)用多元化，論述了一種基于智能手機(jī)的車輛安全輔助系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用。作為一種運(yùn)動(dòng)探測器、攝像機(jī)和單片機(jī)控制系統(tǒng)在移動(dòng)應(yīng)用程序上的新型集成，該系統(tǒng)利用移動(dòng)通信技術(shù)對車輛進(jìn)行遠(yuǎn)程控制并提供必要的安全保障。
關(guān)鍵詞： 智能手機(jī)；移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)；車輛安全輔助；遠(yuǎn)程控制；Android操作系統(tǒng)；AVR單片機(jī)
據(jù)世界著名的美國汽車行業(yè)雜志W(wǎng)ardsauto于2011年公布的數(shù)據(jù)顯示，中國汽車擁有量為7 800萬輛，位居全球第二，人均保有量已升至每17人擁有1輛汽車。汽車保有量的增加伴隨生活節(jié)奏的加快，人們對車輛輔助系統(tǒng)在時(shí)間和空間跨度要求也更高。另一方面，當(dāng)前智能手機(jī)的應(yīng)用已經(jīng)深入到人們生活的方方面面，智能手機(jī)已經(jīng)不僅僅是單一的通信工具，已經(jīng)漸漸變成移動(dòng)多媒體和信息中心，智能手機(jī)的行業(yè)應(yīng)用迅速催生了行業(yè)合作的多元化經(jīng)濟(jì)模式。
在這樣的一種背景下，提出“移動(dòng)設(shè)備—云端服務(wù)器—車輛”系統(tǒng)架構(gòu)。如圖1所示，移動(dòng)設(shè)備作為終端并借助于移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和云平臺(tái)的強(qiáng)大信息交互和處理能力，實(shí)現(xiàn)車主對車輛的遠(yuǎn)程控制。同時(shí)，車輛也可以實(shí)時(shí)地將自身的狀態(tài)信息及報(bào)警信息通過手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備呈現(xiàn)給車主。
本文所提出的VSA系統(tǒng)正是基于這樣的系統(tǒng)架構(gòu)，采用智能手機(jī)作為人機(jī)交互平臺(tái)。同時(shí)，該系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)以上功能的前提下，并未改動(dòng)車輛機(jī)械結(jié)構(gòu)及電子控制系統(tǒng)，不會(huì)由于該系統(tǒng)對車輛的安全性造成降低，甚至破壞；采用合理化的接口設(shè)計(jì)，提供故障檢測接口，保證使用維修方便。
1 系統(tǒng)概述
該系統(tǒng)主要分為兩個(gè)部分——車載端及手機(jī)客戶端。前者檢測車輛狀態(tài)信息，后者發(fā)送請求，由前者返回查詢結(jié)果；另一方面，后者發(fā)送相應(yīng)執(zhí)行指令，前者接受分析后執(zhí)行。兩者之間的通信及數(shù)據(jù)交互則是依托網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行。
車載端由硬件電路、微型攝像頭、視頻服務(wù)器及執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成，安裝在車輛上。
手機(jī)客戶端在具有開源性和易開發(fā)性的Android操作系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)。車載控制器和控制模塊（車門和車窗開/關(guān)）采用車載電力線，方便接入車輛固有電源系統(tǒng)。圖2描述了系統(tǒng)硬件組成及實(shí)施，包括設(shè)備、手機(jī)及車載控制器之間的通信鏈路。圖3描述了基于手機(jī)端的系統(tǒng)工作流程。
車載控制器內(nèi)置的辨別系統(tǒng)保證只有唯一的一個(gè)手機(jī)客戶端可以訪問。視頻由車載端發(fā)送給手機(jī)客戶端，而控制和指令由手機(jī)客戶端發(fā)送給車載端，必要時(shí)車載端主動(dòng)發(fā)送車輛信息給手機(jī)端并自動(dòng)執(zhí)行相應(yīng)的報(bào)警操作。下面針對以上功用的實(shí)現(xiàn)方案進(jìn)行模塊化分析。
2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)
2.1 車載端和手機(jī)客戶端通信
在VSA系統(tǒng)中用戶通過手機(jī)客戶端發(fā)送短信息與車載端進(jìn)行信息交互。系統(tǒng)采用SIM300模塊進(jìn)行短信收發(fā)，單片機(jī)通過對接收到的短信息進(jìn)行解析，與數(shù)據(jù)庫中的信息進(jìn)行比對匹配，進(jìn)行相應(yīng)的信息查詢及控制操作。
SIM300是一款三頻段GSM/GPRS模塊，提供了兩個(gè)不平衡異步操作串口。將GSM模塊設(shè)計(jì)成數(shù)據(jù)通信設(shè)備（DCE），與傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)終端設(shè)備（DCE-DTE）相連，如圖4所示。SIM300內(nèi)部集成了TCP/IP協(xié)議棧，并且擴(kuò)展了AT指令。利用短信模塊的串行接口收發(fā)一系列的AT命令，控制手機(jī)模塊收發(fā)短信的目的。短信交互流程如圖5所示。
為避免系統(tǒng)處理過程中新短信到來造成的時(shí)序混亂，系統(tǒng)采用全雙工處理方式進(jìn)行容錯(cuò)處理。過程如下：當(dāng)系統(tǒng)正在處理執(zhí)行一條短信息的過程中，將系統(tǒng)置于BUSY狀態(tài)，通過中斷程序來檢測和存儲(chǔ)系統(tǒng)在忙的過程中接收的短信息，不讓其進(jìn)入GSM時(shí)序控制程序中來。只有當(dāng)系統(tǒng)處理完當(dāng)前的信息后，處于非BUSY狀態(tài)，此時(shí)開始處理新到的信息。
2.2 視頻監(jiān)控方案
在VSA系統(tǒng)中采用模擬攝像機(jī)+網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器(DVS)的方式，使用微型攝像頭進(jìn)行視頻采集，網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器對視頻進(jìn)行H.264壓縮處理，轉(zhuǎn)換為基于TCP/IP網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)包，通過網(wǎng)絡(luò)模塊進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸。視頻服務(wù)器內(nèi)置SD卡、485通信口及I/O口可以與單片機(jī)相連，實(shí)現(xiàn)報(bào)警視頻存儲(chǔ)及圖片抓拍。
Android手機(jī)客戶端接收H.264壓縮數(shù)據(jù)流，利用ffmpeg開源音視頻解碼庫，開發(fā)H.264解碼類[1]。對數(shù)據(jù)流進(jìn)行解碼處理，存儲(chǔ)在內(nèi)存緩沖區(qū)，通過java中Bitmap類的copyPixelsFromBuffer方法生成位圖，利用圖像幀的方式進(jìn)行播放[2]。部分代碼如下：
ByteBuffer pRGBBuffer=ByteBuffer.allocate(VideoWidth *
VideoHeight * 3)；//指定緩沖區(qū)
While（!isExit）{
…
bmp=Bitmap.createBitmap(VideoWidth，VideoHeight，
Bitmap.Config.RGB_565)；//為位圖制定大小格式
bmp.copyPixelsFromBuffer(pRGBBuffer)；//復(fù)制指定內(nèi)存
區(qū)域給位圖
…
}
同時(shí)，當(dāng)車輛出現(xiàn)報(bào)警信息，除了單片機(jī)可以直接控制視頻服務(wù)器進(jìn)行相應(yīng)報(bào)警操作外，手機(jī)客戶端也可以自行進(jìn)行報(bào)警圖片抓拍，直接將bmp圖片轉(zhuǎn)換為JPEG或PNG圖片保存在手機(jī)SD卡中。
2.3 車門車窗控制方案設(shè)計(jì)
為提高汽車使用的便利性和行車的安全性，現(xiàn)代汽車越來越多地安裝中控鎖。基本組成主要有門鎖開關(guān)、門鎖執(zhí)行機(jī)構(gòu)和門鎖控制器。門鎖執(zhí)行機(jī)構(gòu)有電磁式、直流電動(dòng)機(jī)式和永磁電動(dòng)機(jī)式3種驅(qū)動(dòng)方式。門鎖控制器是為門鎖執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供鎖止/開啟脈沖電流的控制裝置。通過通電電流方向控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)門鎖的鎖止和開啟[3]；為了方便乘客操作車窗，車輛一般采用電動(dòng)車窗系統(tǒng)。電動(dòng)車窗系統(tǒng)主要由電動(dòng)機(jī)、車窗、升降器及繼電器等組成。通過給直流永磁電動(dòng)機(jī)接通額定電流，從而達(dá)到控制車窗升降的目的[4]。
綜上所述，當(dāng)前車門車窗都是通過接通電流來實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的執(zhí)行操作。下面以車門開啟為例進(jìn)行說明。
如圖6所示，當(dāng)單片機(jī)給MZ加以高電平時(shí)，三極管T3導(dǎo)通，進(jìn)而繼電器接通，觸電吸合，VCC-3、DGND分別與M1、FUJI2接通，電機(jī)正轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)車門上鎖功能；同理，當(dāng)單片機(jī)給MF高電平時(shí)，三極管T4導(dǎo)通，VCC-3、DGND分別與FUJI2、M1接通，電機(jī)反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)車門解鎖功能。
2.4 信號檢測
信號檢測包括車門車窗狀態(tài)、車輛行駛狀態(tài)及車輛自身的安全狀態(tài)。
車門車窗狀態(tài)，即開啟或關(guān)閉，通過微動(dòng)開關(guān)來檢測。當(dāng)微動(dòng)開關(guān)動(dòng)作簧片未被按下時(shí)，COM端和NC端接通；當(dāng)微動(dòng)開關(guān)動(dòng)作簧片被按下時(shí)，COM端與NO端相接通。將微動(dòng)開關(guān)COM端接地DGND。單片機(jī)通過檢測NO端是否為低電平，即可判斷車門車窗是否已經(jīng)關(guān)閉。
車輛行駛狀態(tài)及車輛自身的安全狀態(tài)的檢測通過檢測車輛是否被碰撞，以及行駛過程中行駛平穩(wěn)狀態(tài)來判斷。采用加速度傳感器來檢測，VSA系統(tǒng)中采用MMA7361振動(dòng)加速度模塊來模擬實(shí)現(xiàn)[5]。
3 系統(tǒng)評估
系統(tǒng)性能的好壞主要取決于指令執(zhí)行效率及視頻流暢性，為了系統(tǒng)的改進(jìn)研究，主要針對通信延遲、視頻流暢性進(jìn)行測試。
3.1 通信延遲測試
通信延遲測試實(shí)驗(yàn)包括查詢指令測試及控制指令測試。測試一個(gè)指令周期時(shí)間（發(fā)送指令和接收到返回指令之間的時(shí)間間隔），其中查詢指令即查詢車門及車窗狀態(tài)，而控制指令測試包括開門指令、關(guān)門指令及開窗、關(guān)窗指令測試。每組測試10次，取時(shí)間平均值，測試結(jié)果如表1所示。
3.2 視頻流暢性測試
視頻流暢性的影響因素包括網(wǎng)速、視頻分辨率、視頻壓縮質(zhì)量及操作系統(tǒng)等。通過對在手機(jī)客戶端和PC機(jī)客戶端上的視頻延遲情況進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，在手機(jī)客戶端視頻滯后較為嚴(yán)重，一般為8 s～10 s；而在PC機(jī)上為1 s～2 s。這表明，最長的延遲來自于手機(jī)操作系統(tǒng)本身，而不是網(wǎng)絡(luò)速度及VSA系統(tǒng)本身。
單片機(jī)處理速度在微秒級，通過測試發(fā)現(xiàn)即使是查詢指令，單片機(jī)只需處理傳感器檢測信號，而指令周期也在10 s左右，可見采用短信的通信方式，延遲性較大；而視頻的流暢性主要受手機(jī)處理速度所限。
本文所提出的VSA系統(tǒng)是“移動(dòng)設(shè)備—云端服務(wù)器—車輛”系統(tǒng)框架在智能手機(jī)上的一種探索性應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制車門車窗、實(shí)時(shí)監(jiān)控、報(bào)警提示及視頻圖片抓拍等功能，完成了便宜、廣泛使用的現(xiàn)有設(shè)備、接口，以及用戶可視化界面軟件的集成。為用戶提供了一個(gè)易于使用的基于Android操作系統(tǒng)的移動(dòng)應(yīng)用程序，從而可以遠(yuǎn)程控制和監(jiān)控車輛及安全。
該系統(tǒng)的車門車窗控制機(jī)構(gòu)已經(jīng)通過了模擬測試，下一階段需要進(jìn)行基于實(shí)車的改裝測試。另外，采用短信的通信方式，簡單、可靠，但延遲較大，滿足現(xiàn)有的提示性為主的功能需求，但不適于實(shí)時(shí)性操作要求較高的場合。
未來將對視頻服務(wù)器與控制器進(jìn)行集成小型化設(shè)計(jì)，完成視頻及通信數(shù)據(jù)的流式傳輸，降低使用成本并提高實(shí)時(shí)性。考慮車輛添加多個(gè)攝像頭，采集多個(gè)攝像頭視頻信息進(jìn)行合成，獲得車輛周圍3D全景信息，并感知周圍障礙物距離，配上合理的計(jì)算，提供一種基于手機(jī)的輔助倒車功能。將所有車輛的信息傳送到云端服務(wù)器，由服務(wù)器通過手機(jī)給車主提供車輛安保、導(dǎo)航等功能。例如當(dāng)用戶打開監(jiān)控功能時(shí)，視頻監(jiān)控信息傳遞給服務(wù)器，服務(wù)器對視頻信息進(jìn)行分析識(shí)別（闖入者是否是車主或車主提供的親近人員信息），進(jìn)而發(fā)出報(bào)警指令并提供給警方。
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